基于電子式PT取電和超級電容儲能的配電設備供電系統

覃宗濤　鐘東　陳秋明

摘 要：該文首先對現階段配網系統目前供電方式進行簡要分析，然后根據目前各種供電方式存在的問題提出了相應的解決方案，并提出了通過電子式PT取電與超級電容儲能的配電設備電源解決方案，并通過實驗證明該電源解決方案的可行性與有效性。此類供電方式由于受到天氣因素影響，特別是南方陰雨天氣較多，導致過長時間太陽能電池無法進行正常取電輸出，設備僅靠鉛酸電池[1]或鋰電池進行供電，而在儲能方面，我們通過采用充電時間短、使用壽命長的超級電容進行儲電，取代了原有易受環境影響的鉛酸電池或鋰電池，保障設備用電的穩定性和可靠性。

關鍵詞：配電網 電源 電子式PT 超級電容

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0062-03

這里該研究者提出一種不論在取電還是儲電方面都比現有供電方式更加穩定可靠的供電系統，該系統通過配網線路中常用的電子式PT[2]（電壓互感器）進行取電，由于電子式PT是通過獲取10kV線路上的能量進行供電，可以保證供電時不受陰雨天氣影響，取電方面有了極大的保障。目前配電線路故障檢測系統中，通信終端部分設備用電絕大部分均采用太陽能電池與鉛酸電池或鋰電池方式進行供電。由于電子式電壓互感器二次端本身能提供一個0-5V左右的電壓，而目前市面上一些配電通信終端一般也是低電壓低功耗運行，僅需幾伏的電壓信號和極小的功率就能滿足其電源需求，而電子式電壓互感器能很好滿足這一要求。作為傳統電磁式電壓互感器理想的換代產品，將給電力測量、保護和供電領域帶來革命性變革。將電子式電壓互感器應用于配電智能通信終端設備中，將全面提升產品的使用壽命及供電可靠性。

1 取電裝置電子式電壓互感器介紹

電子式電壓互感器一般是應用在計量裝置、繼電保護或測量儀表等方面，電子式電壓互感器主要是通過精密電容組成電子式電壓互感器，互感精度主要由電容器分壓精度決定，電容器分壓原理見圖1。

C1，C2分別為電容的高、低壓側，U1為一次電壓，Uc1、Uc2為分壓電容上的電壓。由于C1，C2串聯，所以：

U1=Uc1+Uc2

Uc2=C1/（C1+C2）xU1=KU1

K=C1/（C1+C2）

其中，K為電容的分壓比，只要選擇合適的C1和C2電容容量，便可得到所需分壓電壓比，由于電壓比可通過電容容量控制，所以二次電壓可以根據需要設計在0-5V之間，很容易與二次智能化設備接口，滿足當代智能化、數字化二次終端、保護的需求，又因其沒有鐵芯，因而從根本上消除了產生鐵磁諧振的危險。

2 儲能元件超級電容介紹

由于配電設備一般都帶有通訊和停電后故障指示功能，電源系統還需加入儲能單元。超級電容[3]，又名電化學電容器，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。其基本原理[4]和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。

對比鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等傳統電池，超級電容具有節能、超長使用壽命、安全、環保、寬溫度范圍、充電快速、無需人工維護等優點。之所以叫超級電容，是因為超級電容的容值都是法拉級的，且可以很快提供一個充放電，這是傳統的電容或者電池做不到的。

電池的充放電大概在1h到10h左右，而傳統電容是作為濾波使用的，充放電是在0.03s，但是超級電容就在1秒左右，基本上是從0.1s到10s，超級電容是用物理的方法儲能，電池是用化學反應的方法來儲能，所以電池的反應時間會很長，超級電容可以快速的充放電，這是它的根本原因，也是超級電容的性能優勢之所在。

傳統的儲能系統是使用鉛酸電池，鉛酸電池一般使用環境溫度為：-30℃～60℃，在超過環境下使用時，溫鉛酸電池的容量及壽命將受到很大影響。而超級電容可以工作在在-40℃～65℃之間，可以覆蓋PC -20℃～60℃的工作溫度范圍和電池0℃～50℃的工作溫度。超級電容是功率密集元件，其使用壽命是非常長的，循環充放電次數可以達到10～50萬次[4]。

3 電源整體設計

基于電子式PT取電和超級電容儲能的配電設備電源系統設計拓撲圖（如圖2）。

3.1 前端保護整流及穩壓電路

通過上述對電子式電壓互感器原理的分析可知，其取電原理是通過電容串聯分壓方式進行取電，取電電壓與C1，C2比值有關，但是由于C1，C2是串聯接入到10kV線路中，二次端仍然存在安全隱患，并且考慮到線路的其他不穩定因素影響，必須對二次端輸出的低壓交流信號進行隔離保護。在這里通過小型隔離變壓器對二次端電壓進行隔離，然后通過保護性元件壓敏電阻及TVS管進行過壓保護，具體電路見圖3。

3.2 充電電路設計

由于超級電容的內阻比其他類型電池內阻低，在對超級電容進行充電時，初始充電電流非常大，如采用普通充電電路對超級電容進行充電可能導致充電電路無法正常工作。這里采用Linear公司生產專門為超級電容設計的充電管理芯片LTC3225進行充電電路設計。該芯片是一款可編程超級電容充電器，專為兩個2.8V～5.5V串聯使用的超級電容電池進行充電而設計，芯片具有自動單元平衡處理可防止任一個超級電容器遭受過壓損壞，不必專門設計平衡電阻器。詳細硬件設計如下：

LTC3225是通過芯片內的電荷泵來進行電容充電，見上圖1所示，在芯片外部接有快速電容泵，輸入電源首先對快速電容泵進行充電，當快速電容泵充滿后，快速電容泵上的電荷就向超級電容轉移。其充電過程是以一定時間周期在充電和電荷轉移間進行，其充電順序是按串聯超級電容的順序逐一轉移的。

上圖SHDN端口為芯片工作控制端口，當該端口電平為高時，芯片進入正常充電狀態，該端口電平為低時，芯片停止充電工作，此時芯片進入低功耗模式，在該模式下，芯片功耗小于1uA。PGOOD輸出端口用于監視充電狀況，當超級電容充電結束后，該端口輸出高電平，反之為低電平。

LTC3225為雙列10腳貼片封裝。充電電流最大可達150mA，通過少量外圍器件即可構成串聯型超級電容的充電電路，非常適用于利用電子式PT進行供電充電的后備電源設備。

3.3 超級電容容量選擇

超級電容器作為電池應用主要有兩個方面：大電流脈沖應用[5]和小電流功率保持。電流脈沖應用的特征：要求持續向負載提供大電流，供電時間一般為幾秒或幾分鐘；而小電流功率保持應用的特征是：要求超級電容持續不斷的提供小電流功率輸出，供電時間較長，一般要求能達到最少30min或更加長時間的應用。

而這里我們配網設備基本都為嵌入式系統，一般均為低功耗運行，所以這里關于超級電容儲能的應用方式我們采用小電流功率保持的方式。

這里假設在單片機應用系統中，應用超級電容作為后備電源，在掉電后需要用超級電容維持10mA的電流，要求能持續為設備供電10h，單片機系統截止工作電壓為2.5V，那么需要多大容量的超級電容能夠保證系統正常工作？

這里該研究者提供了計算公式：

該公式根據能量守恒理論，保持所需能量=超電容減少能量。

保持期間所需能量=1/2I（Uwork+？Umin）t；

超電容減少能量=1/2C（Uwork2？-Umin2），

C=（Uwork+Umin）t/（Uwork2？-Umin2）

E=C（Uwork*Umin）-（）

這里對上述名稱進行說明：

C（F）：超電容的標稱容量；

Uwork（V）：在電路中的正常工作電壓？；

Umin（V）：要求器件工作的最小電壓；

t（s）：在電路中要求的保持時間；

I（A）：負載電流；

由以上公式可知：

工作起始電壓：Vwork=5V；

截止電壓：Vmin=2.5V；

持續時間：t=10h（36000s）；

平均功耗：I=0.01A

所需電容容量為：

C=（Vwork+Vmin）It/（Vwork2-Vmin2）=（5+2.5）*0.01*36000/（5*5-2.5*2.5）=144F

根據計算結果，可以選擇5.5V 150F電容就可以滿足需要了。考慮到電容器本身容量誤差問題我們可以選擇5.5V 200F的超級電容即可保證設備穩定工作10h以上。

4 實驗結果

實驗樣機選用LPK2-P4型適用于10kV架空線路（裸導線或絕緣導線），將10kV高電壓轉換為24V以下的交流低壓， 該取電PT提供帶電安裝掛鉤，可直接帶電安裝到A、B、C三相的任意一相架空導線上。取電PT安裝以后，其原邊接地線電流最大只有1mA，屬于人體安全電流，而輸出功率可達5W。與市面上某些電容分壓取電PT不同，該型取電PT還采取原副邊電氣隔離技術，再次確保設備本身和使用者的人身安全。

按上述充電電路充電電流150mA對200F超級電容進行儲能充電，充滿需要時長約為：1h左右，完全符合實際使用需求。

5 結語

基于電子式PT取電和超級電容儲能的電源系統具有成本低、隔離性能好、綠色環保的優勢，采用電子式PT取電能改善CT取電方式線路電流太小而無法取電的問題，同時隔離保護電路能夠很好的保護后端用電設備的安全。該文介紹的取電方案控制簡單，且能夠為電力在線監測設備提供穩定可靠的工作電源

參考文獻

[1] 董宏，賴世能.高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池應用與發展思路[J].通信電源技術，2014：31.

[2] 王化冰，趙志敏.基于電容分壓器的電子式電壓互感器的研究[J].繼電器，2007，35（18）：46-49.

[3] 楊盛毅，文方.超級電容器綜述[J].現代機械，2009（4）：82-84.

[4] 顧帥，韋莉，張逸成，等.超級電容器老化特征與壽命測試研究展望[J].中國電機工程學報，2013（21）：145-153，204.

[5] 李啟國.超級電容器儲能脈沖電源的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.